玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度分析

寧夏青龍塑料管材有限公司 寧夏銀川市 750000

摘要：通過對玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度、管剛度、剛度等級概念進行分析，明確了環剛度是管道在外載作用下抵抗變形的一種能力，管剛度與環剛度并不是同一個概念，而剛度等級是管材初始特定環剛度的級別。由環剛度的相關概念分析了環剛度設計與測試的基本方法，并根據設計規范的要求對實際工程中所需要的剛度等級從變形和穩定性兩個方面進行了分析，得到了確定剛度等級的基本原則和方法及其與埋設條件之間的關系。對正確理解玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度以及環剛度的設計、測試及選擇都具有一定的參考意義。

關鍵詞：玻璃纖維增強塑料夾砂管；環剛度；管剛度；剛度等級

一、前言

玻璃纖維增強塑料夾砂管簡稱玻璃鋼管是一種以玻璃纖維及其制品為增強材料，以不飽和聚酯樹脂等為基體材料，以石英砂及碳酸鈣等無機非金屬顆粒材料為填料，采用定長纏繞工藝、離心澆鑄工藝、連續纏繞工藝方法制成的管道。玻璃鋼管與混凝土管相比不僅有重量輕、承壓能力好、內壁阻力小等特點，而且具有使用壽命長、安裝方便、操作簡單等優點，在工程中得到廣泛的應用。初始環剛度系玻璃纖維增強塑料夾砂管的重要技術指標之一，它直接影響管材的使用安全性和使用壽命，準確有效檢測玻璃鋼管的初始環鋼度對產品質量和施工過程的質量控制有著極其重要的意義。本文通過對玻璃纖維增強塑料夾砂管初始環剛度測量結果不確定度的評定，分析影響試驗結果的各種因素，提高該試驗的檢測水平和準確性供同行檢測參考。

二、玻璃纖維增強塑料夾砂管的特點

玻璃纖維增強塑料夾砂管的主要原料為無堿玻璃纖維、不飽和聚酯樹脂、石英砂，其管壁結構由三層組成：內襯層、結構層和外護層。玻璃纖維增強塑料夾砂管具有以下一些特點

（1）玻璃纖維增強塑料夾砂管質輕強度高，具有優良的力學、物理性能。

（2）玻璃纖維增強塑料夾砂管內表面光滑，內壁摩擦系數0.0084，水力性能優異。

（3）玻璃纖維增強塑料夾砂管內襯層主要材料為樹脂和玻璃纖維復合材料，具有優異的耐腐蝕性能，使用壽命長。

（4）玻璃纖維增強塑料夾砂管不爆管，接口可靠，安全性好

（5）玻璃纖維增強塑料夾砂管施工操作方便、快捷

（6）玻璃纖維增強塑料夾砂管規格齊全

三、環剛度相關概念

1、環剛度

環剛度是衡量管環在外載荷作用下抗徑向變形能力的一個重要性能參數，環剛度的基本定義式為：

其中，S為環剛度，N/m2；E為管道表觀環向彎曲彈性模量，N/m2；I為軸向單位長度管壁的環彎曲慣性矩，m4/m；I=t3/12，t為管壁總厚度，m；D為管道計算直徑，D=Dn+t，Dn為管道內徑，m。

式（1）是從材料和結構上來定義環剛度的，綜合考慮了管道直徑、管壁厚度以及管壁材料組成等因素，但該定義式無法直觀得到環剛度與外載荷、徑向變形之間的具體關系。為此，考慮一段徑向受壓的管環，在小變形下通過理論分析可以得到以下公式：

其中，Δy為管徑變化量，m；F為與管徑變化量相對應的線載荷，N/m。式（2）就是環剛度與外載荷、徑向變形之間的具體關系式。由該式可見，管道的環剛度越大，在同等外荷載條件下管道的徑向變形就越小，這就是環剛度的真正內涵。管道的環剛度決定了管道在外荷載作用下抗變形的能力。

2、管剛度

行業內有時也用到管剛度的概念，并且有時還將管剛度與環剛度等同來使用。但實際上管剛度與環剛度是不同的，管剛度的定義為：線載荷除以相應的管徑變化量所得的值，即有：

其中，PS為管剛度，N/m2。

管剛度是從試驗的角度定義的，是管道產生單位徑向變形時所需要的外載荷大小，也反應了管環抗徑向變形的能力。由式（2）和式（3）可見，管剛度和環剛度之間相差一個系數，具有以下關系：

因此，雖然管剛度和環剛度都可以用來衡量管道在外載荷作用下抗變形的能力，但是兩者在數值上是完全不一樣的，不能等同使用。在美國相關標準中一般采用管剛度概念，而在ISO相關標準中一般采用的是環剛度的概念，要注意加以區分。

3、剛度等級

剛度等級是管材初始特定環剛度的級別，一般分為四個等級：1250、2500、5000、10000，單位與環剛度、管剛度一樣都是N/m2。剛度等級是確定管道規格的一個基本參數，代表的是一種特定類別管道。對于某一特定剛度等級的玻璃纖維增強塑料夾砂管而言，其環剛度值應不小于其剛度等級值，即有：

其中，SN為剛度等級值，N/m2。

根據式（5）可以判定某一種剛度等級的玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度是否合格；對于某一玻璃纖維增強塑料夾砂管而言，只要得到了環剛度，也可以根據式（5）確定其剛度等級。

四、環剛度的設計與測試

由定義式（1），可以根據復合材料力學從理論上分析計算得到某一鋪層結構的玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度。首先根據各單層基本力學性能參數獲得管壁層合結構的表觀環向彎曲彈性模量，然后根據壁厚、直徑由定義式（1）直接計算便可得到管道的環剛度。

由式（1）可以發現，環剛度與壁厚的三次方成正比，因此增加管壁厚度是提高管道環剛度的一個有效方法。同時環剛度也與管壁的表觀環向彎曲彈性模量成正比，調整管壁的結構鋪層將改變表觀環向彎曲彈性模量，因此也可以通過改變鋪層來提高環剛度。由于具體鋪層形式的不同，可能出現相同的管壁厚度而環剛度不同，甚至出現管壁較薄但其環剛度卻高于管壁較厚的管道的情況，因此不能簡單地認為管壁越厚環剛度就越高。對玻璃纖維增強塑料夾砂管而言，最小厚度的意義不是很大，重要的是要滿足環剛度的要求。此外即使僅改變鋪層順序也會造成管道的環剛度不同，可以通過優化鋪層順序來實現同等材料下環剛度的最大化。

為了檢測實際生產的玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度，可以根據式（2）采用平行板外載試驗的方法來進行測試。考慮到徑向變形后管道形狀改變的影響，對式（2）進行修正后，得到以下公式：

實際測試一般是在3%的徑向變形率下進行的，由式（6）可得此時環剛度的計算式為：

具體檢測時，在實際玻璃纖維增強塑料夾砂管上截取一定寬度的管環，具體寬度與管道直徑有關，對于直徑不大于1500mm的，取300mm或直徑的3倍中的較小值；對于直徑大于1500mm的，取直徑的20%。對每個管環試樣施加載荷使其徑向變形率達到3%，記錄此時所施加的載荷，然后根據式（7）計算得到該管環的環剛度。測試三個管環取平均值作為該管道的環剛度。

五、結論

通過對玻璃纖維增強塑料夾砂管的環剛度、管剛度、剛度等級概念進行分析，明確了環剛度的內涵是管道在外載作用下抵抗變形的一種能力，管剛度與環剛度并不是同一個概念，而剛度等級是管材初始特定環剛度的級別。由環剛度的相關概念分析了環剛度設計與測試的基本方法，并根據

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